Биореакторы промышленные

Рис. 4.10. Схема промышленного секционированного биореактора объемом 900 с самовсасывающими аэрационными турбинами

Рабочие характеристики проточных биореакторов непрерывного действия лучше всего оценивать исходя из расчета материального баланса по биомассе, лимитирующему субстрату и продукту. Используя самую приближенную классификацию проточных биореакторов непрерывного действия с суспензионными культурами, можно выделить два типа реакторов реакторы с идеальным перемешиванием и проточные биореакторы в режиме полного вытеснения (реакторы поршневого типа).Биореакторы с идеальным перемешиванием могут работать как хемо-статы или как турбидостаты, В хемостате поддерживается постоянная плотность микробной культуры за счет потребления лимитирующего субстрата или какого-либо иного питательного вещества, а в систему турбидостата входит светочувствительное устройство, которое измеряет оптическую плотность культуры и обеспечивает ее постоянство. В промышленности, как правило [c.420]

Биореактор. Аппараты для проведения процессов культивирования микроорганизмов — биореакторы — можно рассматривать как технические системы, предназначенные для преобразования необходимых материальных и энергетических потоков в процессе роста и размножения клеток. Биохимические реакторы представляют собой основное технологическое оборудование, элементы схемы производства в целом, а эффективность их функционирования определяет в основном технико-экономические показатели биотехнологической системы. Многообразие форм конструктивного оформления биореакторов определяется технологическими и микробиологическими требованиями осуществляемого процесса ферментации. Так, схема на рис. 1.4 иллюстрирует различные процессы микробиологического синтеза, осуществляемые в промышленных биореакторах, а также основные условия их проведения. В биореакторе необходимо поддержание заданной температуры культивирования 1, давления Р, pH среды, окислительно-восстановительного потенциала еН, уровня растворенного кислорода Со времени ферментации т и концентрации лимитирующего субстрата 5. Для обеспечения заданных физико-химических параметров протекания процесса в биореакторе должны быть выдержаны необходимые условия тепло- и массообмена, аэрации среды и режима гидродинамического перемешивания. Рассмотренные на схеме процессы осуществляются в результате глубинного культивирования микроорганизмов в условиях аэрации и перемешивания среды. Известны также биореакторы для осуществления процесса путем поверхностного культивирования клеток с использованием микробиологических пленок и флокул, а также биореакторы для процессов с иммобилизованными на носителях ферментами [22]. [c.12]

Эрлифтные биореакторы могут использоваться как в экспериментальных установках, так и в целях промышленной ферментации. Газ в [c.359]

Рис. 16.6. Схематическое представление промышленного синтеза белка АОРва . В скобках указан объем культуральной среды на каждом этапе. На ее долю приходится от 60 до 75% объема соответствуюших биореакторов (ферментеров).

Промышленные биореакторы могут работать в периодическом режиме, периодическом режиме с доливом субстрата,, полунепрерывном (полупериодическом) и непрерывном проточном режимах. Исторически в промышленности утвердился периодический способ работы при осуществлении химических превращений и полунепрерывный — при получении микробной биомассы. В последнее время для химических превращений стали применять реакторы с периодическим режимом и с доливом субстрата, а для получения микробной биомассы — реакторы,, работающие в непрерывном проточном режиме. Традиционно биореакторы, работающие в непрерывном проточном режиме,, использовались в промышленном масштабе только для аэробной переработки сточных вод и отходов (т. ё. в процессах с самой большой пропускной способностью среди всех технологических операций)а также при производстве уксуса. За исключением этих двух случаев, биологическая промышленность проявляла исключительный консерватизм в том, что касалось перехода на непрерывную проточную технологию причем без достаточных на то оснований. [c.418]

В базу данных программы включены основные виды сушилок и трубчатых печей промышленные биореакторы, широко используемые во всем мире различные конструкции выпарных аппаратов. [c.13]

Последующие уровни иерархии процессов в биореакторе связаны с разработкой элементов общей математической модели на макроуровне функционирования. Адекватность этих элементов и значения необходимых констант оцениваются на опытных или опытно-промышленных установках. В этих исследованиях изучают влн.яние на биохимический процесс условий организации потоков ввода сырья, условий аэрирования, влияние тепловых и диффузионных эффектов. [c.110]

Устройства с инжектированием газа свободно падающими струями жидкостями целесообразно использовать в открытых бассейнах больших объемов (более 100 м ), например, для поверхностной аэрации воды в неглубоких аэротенках или в биореакторах с иммобилизованной микрофлорой [35]. Это же устройство может быть использовано в струйных аппаратах для окисления сульфитных щелоков (в целлюлозно-бумажной промышленности) и в ферментаторах (рис. б.7.4.2), работающих на разбавленных культуральных средах с содержанием редуцирующих веществ до 1,5 % [34]. Аэрационная часть аппарата представляет собой колонну, разделенную горизонтальными перегородками [c.530]

Нз рассмотренных экспериментальных методов для оценки массообменных показателей промышленных биореакторов наиболее применимы динамический и интегральный методы, требующие в свою очередь специальных измерительных датчиков. При использовании сульфитной методики полученные данные должны [c.90]

Для крупномасштабного культивирования рекомбинантных микроорганизмов в промыщленных биореакторах (>1000 л) недостаточно просто экстраполировать условия роста в лабораторных ферментерах (0,1—1,0 л). При конструировании промышленных биореакторов необходимо учитывать такие параметры, как температура, pH, скорость и характер перемешивания, потребность аэробных организмов в кислороде, количество питательных веществ. [c.367]

Любую систему, у которой существует ограничивающая ее поверхность и в которой протекают биохимические реакции, можно назвать биореактором. Промышленный биореактор — это емкость, в которой осуществляются рост микроорганизмов и/или различные химические превращения. [c.418]

Все биореакторы можно отнести к одному из трех основных типов реакторы с механическим перемешиванием, барботажные колонны, эрлифтные реакторы. В настояшее время в промышленности чаще всего используются биореакторы первого типа, но появляется интерес и к эрлифтным биореакторам. Механическое перемешивание обеспечивается с помощью механической мешалки, а в эрлифтных биореакторах для аэрации и перемешивания используют газ (обычно воздух), который подается под давлением через разбрызгиватель в дне сосуда. При этом во всем объеме происходит непрерывная циркуляция жидкой среды. Барботажные колонны сходны с эрлифтными реакторами, но их недостатком является отсутствие циркуляции культуральной среды. Для обеспечения стерильности, постоянства pH, температуры и других параметров используют разные способы в зависимости от дизайна биореактора. Для синтеза рекомбинантных белков применяют двухступенчатые процессы ферментации, осуществляемые в тандемных эрлифтных биореакторах или в одном реакторе с механическим перемешиванием. [c.368]

Некоторые технические характеристики промышленного биореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в таблице 33 [c.299]

Одна из основных задач, которые приходится решать химикам-технологам при конструировании биореакторов, — это обеспечение эффективного переноса кислорода в промышленных биореакторах, где осуществляются аэробные микробиологические процессы. Независимо от того, в каком режиме осуществляется аэробный микробиологический процесс — периодическом, полунепрерывном или непрерывном, — в установку должен непрерывно подаваться кислород для достижения достаточно высокой производительности. Потребность аэробной культуры в кислороде зависит от концентрации микроорганизмов в реакторе, скорости их роста и соответствующего коэффициента выхода. В некоторых случаях могут играть роль и другие факторы, например необходимость удаления из культуры двуокиси углерода, особенно для процессов, в которых в качестве источника кислорода используется воздух, который как раз и служит источником кислорода в подавляющем большинстве аэробных микробиологических процессов. При тех температурах, при которых обычно протекают микробиологические процессы (10— [c.437]

Определенные требования на выбор варианта аппаратурного оформления процесса культивирования микроорганизмов накладывает величина объема выпуска продукции. При создании крупно-тоннажных биореакторов большого объема (до 1000 м и более) могут оказаться неприемлемыми технические решения, эффективные для небольших по объему аппаратов. Так, трудности в разработке мощных приводов для механических перемешивающих устройств обусловливают переход к промышленным биореакторам с распределенным вводом энергии с использованием нескольких приводов, что в свою очередь затрудняет решение вопросов стерильности, механической надежности и т. д. Характерной особенностью конструкций биореакторов является выбранный принцип перемешивания среды, определяющий способ ввода энергии, а в ряде случаев и эффективность массообменных процессов в аппарате. [c.196]

Очень большое влияние на рост суспензионной среды оказывает ее непрерывное перемешивание, которое обеспечивает хорошую аэрацию и предотвращает осаждение клеток. В лабораторных условиях перемешивание достигается благодаря использованию качалок или роллерных установок. При промышленном выращивании суспензионных культур применяют специальные системы, в которых идут увеличение биомассы и синтез вторичных соединений, — биореакторы. Эти системы обладают важными преимуществами возможностью управлять процессом культивирования на основе показаний датчиков кроме того, большой объем культивируемого материала позволяет забирать значительные пробы, при этом стрессовые реакции у культуры клеток не возникают. В зависимости от способа перемешивания культуральной жидкости биореакторы делят на две группы. [c.182]

Объемное и дозирующее оборудование для измерения, транспортировки и загрузки биореакторов аналогично оборудованию, применяемому, например, в пищевой (или в химической) промышленности различных типов весы, насосы (например, вакуумные), транспортеры (ленточные, шнековые), элеваторы, контейнеры и др. Газообразные и жидкие продукты обычно подают в биореакторы по системам стерильных трубопроводов. В крупномасштабном производстве питательные среды и некоторые их компоненты стерилизуют нагреванием и/или фильтрованием через пористые [c.381]

Микроорганизм в виде суспензии определенной плотности подают из инокулятора(-ов) в промышленный биореактор, или ферментатор, в котором содержится стерильная жидкая питательная среда. При этом не должно произойти попадания каких-либо посторонних микробов в питательную среду вместе с продуцентом [c.385]

Если говорить о других условиях среды, то совершенно очевидно, что наиболее пригодны для использования в промышленности микроорганизмы с широкими диапазонами оптимумов pH, концентрации растворенного кислорода и температуры. Впрочем, частично эти трудности позволяют обойти техническое усовершенствование установок и улучшение контроля за условиями в них. Отметим, однако, что в некоторых новых конструкциях промышленных биореакторов, в частности в колонных аппаратах и в циклических системах под давлением, создаются значительные градиенты как физических параметров, так и концентраций питательных веществ. Если экономические преимущества подобных систем над более привычными достаточно велики, то для достижения высокой экономичности процесса в целом крайне важно, чтобы в нем принимали участие микроорганизмы, сохраняющие высокую продуктивность в быстро меняющихся условиях. [c.416]

Большинство промышленных биореакторов снабжено охлаждающим кожухом и/или внутренними охлаждающими змеевиками. В последнее время для интенсификации процессов в биореакторах как обычной конструкции, так и новых конфигураций стали использовать наружные охлаждающие контуры. В некоторых реакторах новых конфигураций внутренняя охлаждающая система настолько нарушает основные гидродинамические рабочие характеристики, что исключает такое охлаждение. При увеличении размера реактора создание необходимой внутренней охлаждающей поверхности становится все более трудной задачей. Для геометрически подобных емкостей увеличение объема пропорционально кубу линейных размеров, при этом площадь увеличивается только пропорционально квадрату линейных размеров. Эффективность охлаждения аэробных биореакторов зависит от следующих факторов 1) переноса тепла от отдельных клеток в культуральную среду 2) переноса тепла от культуральной среды, содержащей диспергированные пузырьки газа и микроорганизмы, к охлаждающим поверхностям 3) поступления тепла за счет рассеяния механической энергии, затрачиваемой на перемешивание среды с целью ее аэрации 4) охлаждения при испарении, выравнивания температур и работы при расширении, связанной с прохождением воздуха через среду 5) изменения коэффициента теплопередачи вследствие загрязнения охлаждающих поверхностей накапливающимися на них микроорганизмами. Потенциальную значимость этих факторов необходимо рассматривать отдельно для каждой технологической системы. [c.449]

Если в качестве источника кислорода используется воздух, то удельная конверсия кислорода в высокоэффективных лабораторных биореакторах редко превышает 0,2, а в обычных промышленных биореакторах она обычно составляет 0,1. Даже при таких низких величинах конверсии кислород нередко является лимитирующим рост фактором, поскольку скорость его транспорта не соответствует скорости потребления. Из рассмотрения уравнения (83), описывающего физическую абсорбцию кислорода культуральной средой, следует, что в системах с полностью перемешиваемой газовой фазой высокие значения удельной конверсии кислорода несовместимы с увеличением скорости транспорта кислорода до максимума. Очевидно, при решении этой проблемы следует учитывать технические и экономические факторы. Что касается биореакторов, в которых газовая фаза перемещается в режиме полного вытеснения,-то по [c.452]

Когда в биореакторы добавляют газообразные или летучие углеродные энергетические субстраты, конверсия рассматривается с совершенно иных позиций. В отличие от кислорода воздуха подобные субстраты представляют собой дорогостоящее сырье, и процессы, в которых они используются, должны быть направлены на достижение очень высокой конверсии либо на полное их использование в системах безотходной технологии с привлечением других процессов. По-видимому, из газообразных углеродных энергетических субстратов наиболее известен метан, хотя в качестве промышленных субстратов можно использовать и другие газообразные алканы. При условии, что метан как сырье для микробиологических процессов можно [c.454]

В математическом представлении непрерывный микробиологический процесс с повторным использованием микроорганизмов эквивалентен непрерывному микробиологическому процессу, в котором происходит преднамеренная или случайная задержка микробов в реакторе. Возможно, такая операция найдет широкое применение в промышленности. Повторное использование и задержка микроорганизмов дают существенное преимущество в тех случаях, когда участвующие в процессе микроорганизмы медленно растут или синтезируют не связанный с ростом продукт. Отметим, что при использовании такого способа интенсификации процесса производительность реактора нельзя будет повысить до тех пор, пока его характеристики, относящиеся к теплопередаче и массопереносу-, не будут соответствовать рассчитываемому повышению производительности. Если теплопередача или массоперенос в биореакторе в рабочем режиме без рециркуляции или задержки микробов являются лимитирующими факторами, то производительность реактора можно повысить, только улучшив тем или иным способом эти параметры. [c.456]

Большое разнообразие процессов микробиологического синтеза реализуется в многочисленных, различных по своему принципу действия и конструктивным особенностям биореакторах. Наибольшее внимание при этом уделяется бноинженерному оформлению аэробных процессов глубинного культивирования микроорганизмов, что связано, с одной стороны, с высокими энергетическими затратами на проведение процесса биосинтеза в условиях интенсивного газо-жидкостного взаимодействия, а с другой стороны, с задачами создания промышленных биореакторов большой единичной мощности. С биотехнологической точкп зрения аппаратурное оформление процесса биосинтеза должно обеспечивать наилучшие условия для роста и размножения микроорганизмов. С учетом этого биореактор, предназначенный для аэробного культивирования микроорганизмов, включает в качестве основных функциональных элементов следующие [c.195]

Разработана программа расчета основных элементов САПР микробиологической промышленности на языке "ТигЬо-Разка ", включающую в себя следуюш.ие разделы 1) ферментация (расчет процесса ферментации, выбор промышленного биореактора) 2) выпарка (расчет процесса выпарки, выбор выпарного аппарата) 3) сушка (расчет процесса сушки, выбор типоразмера печи и сушилки), [c.13]

Совместно с Л.С.Гордеевым и А.Ю.Винаровым сформулированы научные принципы анализа, оптимизации, масштабирования и проектирования биотехнологических процессов. С позиций системного подхода последовательно проведен анализ эффектов и явлений, происходящих в биохимическом реакторе на микро- и макроуровне. Разработаны математические модели, учитывающие кинетику роста микробных популяций, транспорт питательного субстрата к клеткам и гидродинамическую обстановку в реакторе, характеризуемую эффектами се1регации ферментациогшой среды и неидеальностью структуры потоков в реакторе большого объема. Предложена методика решения задачи масштабного перехода от лабораторных установок к промышленным биореакторам на основе вычислительных экспериментов. Показаны направления оптимизащш конструктивных и режимных параметров биотехнологических процессов. [c.13]

Применение данной методики при оценке характеристик двух аэрационных турбин в промышленном биореакторе позволило получить, в частности, следующее значение Кьа [22] при С =100 мЗ/(м -ч) для I — получено с1Х1сИ) ,ц,х = = 4,3 кг/(м3-ч) (т]р = 20% /С1,а= 1750 ч для II —получено ( Х/й/)тах = = 3,65 кг/(мЗ-ч) (ло, ) = 17 % Кьа=1620 Ч . [c.91]

Необходимо также отметпть особенность моделирования процессов в биореакторах, связанную с конструктивным разнообразием их аппаратурного оформления. Так, в гл. 4 рассмотрены основные типы биореакторов и дана их классификация, наглядно свидетельствующая о существовании нескольких десятков конструктивных схем аппаратов, различающихся по принципу ввода энергии, способу аэрации среды, методам организации движения потоков. На формирование математической модели биореактора влияют также режим работы (периодический, полупериодический, непрерывный) и масштаб аппарата. Именно при переходе от лабораторных установок к полупромышленным и промышленным в наибольшей степени проявляется влияние макрофакторов на кинетические закономерности процесса ферментации. [c.137]

Можно выделить три основных принципа микро- и макросмещения ферментационной среды, используемых в промышленных биореакторах [c.196]

Прн технико-экономическом анализе бнореакторов, нредназна-ченных для промышленных биотехнологических систем, более предпочтительным можно считать последний подход. Согласно этой классификации бнореакторы делятся ио способу ввода энергии на три группы с подводом энергии через газовую фазу с подводом энергии через жидкую фазу с комбинированным вводом энергии. Рассмотрим далее примеры конструкций промышленных биореакторов [2, 5, 12, 15, 20]. [c.198]

Достигаемая в разработанном колонном секционированном биореакторе с плавающей насадкой (рис. 4.14) продуктивность составляет 4,5—5,2 кг/(м -ч) при выращивании дрожжей на н-па-рафинах н 6,2—6,6 кг/(мЗ-ч) при использовании мелассы в качестве субстрата [7]. Удельные энергозатраты на 1 кг биомассы составляют соответственно 2,2—2,3 кВт-ч/кг и 1,0—1,1 кВт-ч/кг биомассы. Промышленный колонный бнореактор такого принципа действия объемом 900 м обеспечит получение 50 т биомассы дрожжей из н-парафинов в сутки. [c.207]

Для экспрессии клонированных эукариотических генов интенсивно используют обычные дрожжи Sa haromy es erevisiae. Тому есть несколько причин. Во-первых, это одноклеточный организм, генетика и физиология которого детально изучены и который можно выращивать как в небольших лабораторных колбах, так и в промышленных биореакторах. Во-вторых, выделены и охарактеризованы несколько сильных промоторов этих дрожжей, а для систем эндогенных дрожжевых экспрессирующих векторов могут использоваться природные, так называемые 2 мкм-плазмиды. В-третьих, в клетках [c.136]

Ферментация (Fermentation) В промышленной микробиологии - крупномасштабное культивирование микроорганизмов в специальных емкостях (ферментерах, биореакторах). [c.562]

Оценивая транспорт кислорода из газовой фазы в жид КОСТЬ в микробиологических реакторах, Эндрью (Andrew, 1982) высказал мнение, что при конструировании любых промышленных аэробных биореакторов, в том числе больших тэнков с мешалками, их можно рассматривать как аппараты колонногО типа со свободным прохождением пузырьков газа по высоте аппарата. Крупные биореакторы-тэнки с мешалками относят к категории вышеупомянутых биореакторов, основываясь на явлении массопереноса, а также в связи с тем, что при обычной лромышленной энергоемкости мешалка, не способна создавать рециркуляцию жидкости, достаточную для возврата пузырьков стремящихся выйти на поверхность жидкости. [c.445]

Аппаратурное оснащение микробнологаческих производств Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевце организмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр ) Развитие промышленности антибиотиков продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений) Были предложены различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными по большинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов) Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них (рис 88) [c.297]

При пpoизвoд tiвe любого валового микробиологического продукта аэробным способом охлаждение биореактора представляет собой серьезную технологическую проблему. Если температурный оптимум, при котором достигается максимальный" выход продукта и производительность, лежит ниже 40 "С, нал охлаждение приходится основная часть производственных расходов. Обычно в практике биотехнологических процессов промышленного масштаба используют в качестве охлаждающей среды воду, а не какой-либо хладагент. При определении размеровз [c.447]

Используемые при этом питательные среды весьма сложные и дорогие (см специальную часть книги), обычно содержащие антибиотик и сыворотку животных (от 5 до 20%) К сожалению, сыворотки могут выступать источником заражения (загрязнения) культуры животных клеток бактериями, вирусами, микоплазмами, или какими-либо ингибиторами Поэтому синтетические сре-№1 представляются более удобными и выгодными с экономической точки зрения На IV этапе клетки переносят в биореактор бол1,шо5о объема Биоре торы для культур животных клеток считают большими, начиная с объема 10 литров, а если имеются 100—200-литровые биореакторы, то это исключительно большие аппараты Они отчасти напоминают биореакторы, применяемые в промышленной микробио- [c.344]

На каждой стадии процесса ферментации необходимо контролировать чистоту культуры — продуцента и скорость его размножения, pH среды, отсутствие фаголизиса и выход фермента. Установлено, что одна жизнеспособная спора микроба-крнтами-нанта способна "заразить" объем среды, равный 10—50 м . Поэтому важно убедиться в "монолитности" инокулята и в полной стерильности подготовленного к засеву ферментатора. К сожалению, в промышленных биореакторах трудно добиться абсолютно полной стерильности, поэтому целесообразно засевать питательную среду в них большим по объему и физиологически активным посевным материалом. Таким приемом обеспечивают конкурентоспособность продуцента при возможном попадании в среду его обитания любого постороннего микроба. Этому же способствует уменьшение числа фаз размножения продуцента, если основной ферментатор засевают культурой, находящейся в продуктивной фазе. [c.461]

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или С помощью- коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной акклиматизации очистной системы к повышенной скорости-поступления стоков и последующего поддержания скоростй потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше ис--пользовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы. [c.290]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология